Невидиме випромінювання
Знайти планети у Всесвіті досить важко. Я кажу це, незважаючи на той факт, що дві планети на небі Землі нещодавно мали сполучення, утворивши один із найяскравіших об’єктів, які люди могли спостерігати за останні кілька сотень років. Але хоча яскраві Юпітер і Сатурн завжди видно неозброєним оком, Нептун не спостерігали до 1846 року, незважаючи на те, що він належить до нашої планетної системи. Ми почали виявляти планети поза Сонячною системою лише через 150 років після відкриття Нептуна. Як і Нептун, ми знаходимо їх (хоч і побічно), через видиме світло. Однак міжнародна група дослідників, можливо, недавно уперше виявила екзопланету, зареєструвавши радіовипромінювання, спричинене її полярним сяйвом.
Моделювання газового гіганта «гарячий Юпітер» Тау Волопаса Аб, який обертається навколо своєї материнської зорі на одній сьомій відстані Меркурія від Сонця. Його атмосфера і корона зорі, можливо, торкаються одна одної. Фото з сайту www.universetoday.com.
Наукова група в складі Джейка Д. Тернера (Jake D. Turner) з Корнелльського університету, Філіппа Закари (Philippe Zakara) з Паризької обсерваторії та Жана-Матіаса Ґрейсмайєра (Jean-Mathias Greissmeier) з Орлеанського університету оприлюднила статтю в Astronomy & Astrophysics про ймовірне виявлення полярного сяйва на екзопланеті. Використовуючи низькочастотну антену LOFAR (LOw Frequency ARray), розміщену в Нідерландах, науковці отримали дані радіовипромінювання від трьох екзопланетних систем: 55 Рака (55 Cancri), Іпсилон Андромеди (Upsilon Andromedae) і Тау Волопаса (Tau Boötis). Кожна з цих систем містить відомі екзопланети. Дослідження полягало не в тому, щоб відкрити нові такі об’єкти, а в тому, щоб перевірити, чи можна виявити відомі планети в цих системах за радіосигналами від них. Планети випромінюють радіосигнали, що виникають внаслідок взаємодії між їхніми магнітними полями та плазмою або «сонячним вітром», який надходить від материнських зір. Коли плазма від зорі потрапляє в магнітну бульбашку навколо планети — магнітосферу — виникає помітне полярне сяйво. Це схоже на північне чи південне сяйво, яке ми бачимо на нашій планеті. Полярне сяйво також є джерелом радіовипромінювання, що поширюється у космос.
Обсерваторія LOFAR ― це масив антен, утворений з 20000 окремих радіоантен, розміщених на 48 окремих ділянках в межах усього масиву. Фото з сайту www.universetoday.com.
Перевірено й випробувано
Нині у нас є лише кілька методів виявлення екзопланет за межами Сонячної системи. Двома найбільш успішними є доплерівська спектроскопія (або метод радіальної швидкості) та метод транзиту. Ви знайомі з ефектом Доплера на прикладі звукових хвиль. Сирена швидкої допомоги, що їде повз вас, звучить вище, коли наближається, але нижче, коли віддаляється. Видиме світло також «відчуває» доплерівський ефект. Коли об’єкт наближається до нас, його світло зміщується у синю ділянку електромагнітного спектра. Коли об’єкт віддаляється від нас, його світло зміщується до червоної ділянки спектру. У зір з планетами астрономи спостерігають зміщення спектральних ліній як в синю, так і червону ділянки спектра, бо такі зорі буквально коливаються туди-сюди. Це спричиняє сила тяжіння планет, що обертаються навколо них. Зміщення зорі вимірюють як «радіальну швидкість», тобто швидкість, з якою вона рухається до нас або від нас під час коливання.
Візуалізація радіальної швидкості або метод доплерівської спектроскопії для виявлення екзопланет. Відео з сайту www.universetoday.com.
Другий — це метод транзиту, який використовує космічна місія для полювання на екзопланети TESS, а раніше «Кеплер» (Kepler). Ці місії спостерігають силуети екзопланет.Планети, обертаючись навколо своїх материнських зір, блокують частину світла зорі для спостерігача, кидаючи помірну тінь у космос ― транзит. Транзит дає змогу встановити розміри планети, її відстань від материнської зорі та період обертання, тобто тривалість року на планеті. За допомогою обох методів було виявлено тисячі екзопланет.
Візуалізація методу транзитів для виявлення екзопланет. Фото з сайту www.universetoday.com.
«Галасливий» гарячий Юпітер
Виявлення радіовипромінювання додає новий можливий метод полювання на екзопланети. З трьох спостережуваних зоряних систем від планетної системи Тау Волопаса отримано багатообіцяючі спостережні дані, що, як вважають науковці, можуть бути радіовипромінюванням від планети. Тау Волопаса лежить на відстані 51 світлового року від Землі в сузір’ї Волопаса. Система містить зорю спектрального класу F (Tau Boötis A), яка приблизно на 50% більша, ніж Сонце, і втричі яскравіша, ніж наша зоря. У зорі є супутник — червоний карлик (зоря спектрального класу М) Tau Boötis B, який обертається навколо неї на відстані 220 астрономічних одиниць. Це у понад 7 разів більше відстані Нептуна від Сонця. Основна зоря має відому велику газову екзопланету Tau Boötis Ab. Тау Волопаса Аб є однією з найперших відкритих екзопланет; її виявили у 1996 році за допомогою методу доплерівської спектроскопії.
Полярне сяйво ми бачили і на газових гігантах, які лежать значно ближче до Землі, ніж екзопланети. Ці складені зображення, отримані за допомогою рентгенівської обсерваторії «Чандра» та Космічного телескопа імені Габбла, показують гіперенергетичні рентгенівські полярні сяйва на Юпітері. Полярні сяйва були спричинені викидом коронарної маси від Сонця, який досяг планети в 2011 році. Фото з сайту www.universetoday.com.
Є вагомі докази того, що радіосигнал із системи Тау Волопаса походить від самої планети.Tau Boötis Ab ― газовий гігант, який належить до класу екзопланет «гарячі юпітери». Він обертається навколо зорі на відстані, що становить одну сьому відстані Меркурія від Сонця. Рік на планеті триває лише 3 дні. Близькість до зорі робить Тау Волопаса Аб ідеальним кандидатом для спостереження за радіовипромінюванням. Внаслідок взаємодії із зоряною плазмою, магнітне поле планети генерує радіовипромінювання в мільйон разів сильніше, ніж Юпітер.
Радіовипромінювання від планети може бути потужнішим, ніж від зорі, тобто відрізнятися одне від іншого. Виявлений сигнал також показав ступінь поляризації, яка згідно з теоретичними передбаченнями має бути у випромінювання від полярного сяйва. Вона також відрізняється від поляризації випромінювання від інших астрономічних об’єктів. Однак випромінювання від зоряних спалахів та викидів плазми іноді також є поляризованим, а це означає, що радіосигнал може походити від Tau Boötis B, зорі-супутника, бо карликові зорі спектрального класу М відомі сильними спалахами. Як зазначають науковці: «для підтвердження цього слабкого сигналу та впевненого з’ясування джерела його походження потрібні подальші спостереження».
Інтенсивність радіосигналу від Tau Boötis в одному із спостережень. Зіставлення показує виявлене випромінювання «ON», спрямоване на зоряну систему, і «OFF»-промені, спрямовані від системи. Цей прийом використали для порівняння та виділення потенційного сигналу на тлі шуму. Фото з сайту www.universetoday.com.
Придатні для життя магнітосфери
Якщо справді сигнал походив від Tau Boötis Ab, ми можемо відкрити «нову сторінку» у справі виявлення екзопланет. Екзопланета Тау Волопаса Аб, гарячий Юпітер, стала однією із перших планет, виявлених за допомогою доплерівської спектроскопії, бо маса таких об’єктів і їхня близька відстань до материнської зорі спричиняють коливання зорі більш вираженими. Я також маю причетність до вивчення цієї планети. Обсерваторія, в якій я розпочав свою науково-популяризаторську кар’єру, — Обсерваторія Троттьє в Університеті Саймона Фрейзера — повторила допплерівські вимірювання, які підтвердили присутність гарячого Юпітера біля Тау Волопаса А. Це було зроблено завдяки спостереженням, які виконав доктор Говард Троттьє (Howard Trottier).
Вимірювання радіальної швидкості зорі Tau Boötis A в обсерваторії Троттьє. Ці вимірювання показують коливання зорі, спричинені гарячим Юпітером Тау Волопаса Аб, що кружляє навколо зорі. Фото з сайту www.universetoday.com.
Те, що десятиліття тому було сферою професійних обсерваторій, може бути відтворено в більш широких масштабах у всьому світі, як в оберваторії Університету Саймона Фрейзера. Можливо, ще через кілька десятиліть невеликі наукові установи матимуть таку саму технологію, яку використовує LOFAR, і ми зможемо слухати радіосигнали від полярного сяйва на далеких екзопланетах в громадських обсерваторіях чи навіть вдома. Віддаючи належне можливостям нового радіотелескопа для пошуку екзопланет, наслідком цього відкриття є те, що ми отримали спосіб визначити силу магнітосфери далекої планети. Це важливий чинник від якого залежить придатність планети для життя. Атмосфера Землі захищена її магнітним полем, яке заважає сонячному вітру здувати нашу атмосферу в космос, як це сталося з колись з атмосферою Марса.
Автор тексту Метью Сімоне (Matthew Cimone), переклад — Іван Крячко, за інф. з сайту www.universetoday.com
